北京
天文学家在银河系中心发现了一颗创纪录的恒星——它不仅是迄今已知绕行银河系中心黑洞最快的恒星，还离黑洞近到能感受到黑洞自转对时空的拖拽。这颗名为S301的恒星，正成为检验爱因斯坦广义相对论的全新“实验室”。
你可能也好奇过：银河系中心到底藏着什么？几十年前，天文学家正是通过观察一群快速绕行银河系中心的恒星，才确认了那里存在一个超大质量黑洞。如今，这群被称为S星族的恒星家族又添了新成员，而这位新成员有点特别——它跑得最快，也离黑洞最近。
一颗“贴脸”绕行黑洞的恒星
S301有多快？它每秒飞行约2.5万公里。什么概念？以这个速度，它绕银河系中心黑洞跑完一整圈，只需要8.7年。相比之下，我们太阳系的行星们绕太阳一圈，动辄几十年甚至上百年。
更让人惊讶的是它离黑洞的距离。S301在运行过程中，最近时距离人马座A*（银河系中心超大质量黑洞的正式名称）只有12个天文单位。一个天文单位是地球到太阳的平均距离，也就是说，S301贴着黑洞“贴脸”飞行，距离只有日地距离的12倍。
“这颗星的特殊之处在于，它以非常紧凑的轨道绕行人马座A*，仅需8.7年就能完成一圈，而且最接近时距离黑洞只有日地距离的12倍。这是前所未有的。”研究共同作者、马克斯·普朗克地外物理研究所博士生费利克斯·芒这样描述。
黑洞自转如何“拖拽”时空？
S301离黑洞这么近，带来的可不只是速度纪录。它离人马座A*如此之近，以至于黑洞的自转正在影响它的运动。这听起来有点玄，但说人话就是：超大质量黑洞质量巨大，当它旋转时，会像搅动蜂蜜一样“拖拽”周围的时空，连带影响附近恒星的轨道。
这正是爱因斯坦广义相对论预言的一种效应。银河系中心的黑洞质量约为400万个太阳质量，如此巨大的质量加上自转，对周围时空的拖拽效应应该相当明显。而S301恰好运行在受这种效应影响最强烈的区域。
“因为S301绕行人马座A*的轨道如此之近，它为探索这一极端黑洞环境中时空的基本性质打开了一扇新窗口。”诺贝尔奖得主、马克斯·普朗克地外物理研究所所长莱因哈德·根策尔在新闻稿中表示。根策尔正是长期追踪银河系中心恒星运动的团队创始人之一。
十年内有望直接测量黑洞自转
这项发现的意义，在于它给了科学家一个前所未有的机会——直接测量超大质量黑洞的自转速度。这可不是件容易的事，因为黑洞本身不发光，我们看不到它，只能通过观察它周围物质的运动来间接了解它的性质。
“借助这颗恒星，我们希望在未来10年内测量出这个黑洞的自转。”芒说。
马克斯·普朗克地外物理研究所研究员斯特凡·吉勒森也在新研究中扮演了重要角色，他补充道：“我们将首次能够非常直接地测量一个超大质量黑洞的自转，这将是对爱因斯坦理论的关键检验。”
如果成功，这将是人类第一次直接测量超大质量黑洞的自转，也是对广义相对论在极端引力环境下的一次严格验证。
几十年的追踪换来一次突破
发现S301并非偶然。天文学家花了数十年时间，耐心追踪绕行银河系中心黑洞的恒星们。正是这种长期的坚持，才等来了这次突破。
“几十年来仔细追踪绕行我们星系中心黑洞人马座A*的恒星，最终促成了这颗非常有前景的恒星的突破性发现。”根策尔在新闻稿中说。
这项研究即将发表在《自然》杂志上，论文标题为《发现一颗对人马座A*自转敏感的恒星》。论文第一作者是巴黎天文台天体物理仪器与研究实验室的K. 阿卜杜勒·达耶姆，目前论文已在arxiv.org上公开。
观测数据来自欧洲南方天文台的甚大望远镜（VLT），使用其GRAVITY仪器拍摄了一系列S星族恒星绕行人马座A*的图像，其中就包括新发现的S301。
为什么这件事值得关注？
爱因斯坦的广义相对论已经提出了一百多年，至今仍在各种极端条件下通过检验。但黑洞自转对时空的拖拽效应，此前从未被直接测量过。S301的发现，让这件事第一次变得可能。
这件事本身没那么神奇，真正神奇的是：一颗恒星恰好运行在离黑洞这么近的轨道上，速度快到8.7年就能绕一圈，近到能感受到黑洞自转对时空的拖拽。这就像你在操场上跑步，突然发现有一圈跑道紧贴着操场中央的漩涡，而你能通过跑道上的人感受到漩涡的旋转。
当然，测量黑洞自转还需要时间。研究人员预计未来10年内有望完成测量。如果成功，这将是对广义相对论在极端条件下的一次关键验证——而这一切，都要归功于一颗恰好跑得又快又近的恒星。
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